cabine-abb calcolo cto cto

1SDC007101G0901

Quaderni di Applicazione TecnicaSettembre 2005

2

Cabine MT/BT:teoria ed esempi di calcolodi cortocircuito

07 cabineITA_COP 21-10-2005, 10:573

1Indice

1 Generalit sulle cabine ditrasformazione MT/BT

1.1 Tipologie classiche ..................................... 21.2 Generalit sui trasformatori MT/BT ............ 51.3 Dispositivi di protezione MT: cenni sui limiti

imposti dagli enti distributori ...................... 8

1.4 Dispositivi di protezione BT ........................ 8

2 Calcolo della corrente dicortocircuito

2.1 Dati necessari per il calcolo ...................... 112.2 Calcolo della corrente di cortocircuito ...... 122.3 Calcolo del contributo motori ................... 152.4 Calcolo della corrente di picco ................. 15

Cabine MT/BT: teoria ed esempi di calcolo dicortocircuito

Quaderni di Applicazione Tecnica

3 Scelta dei dispositivi diprotezione e comando

3.1 Generalit sui principali parametri elettricidei dispositivi di protezione e manovra .... 17

3.2 Criteri di scelta dellinterruttore ................ 193.3 Coordinamento tra

interruttori e sezionatori ............................ 21

3.4 Coordinamento tra interruttori automatici edinterruttori differenziali puri ....................... 22

3.5 Esempio di studio rete MT/BT .................. 23

Appendice A:Calcolo della corrente di inrush del trasformatore ....... 30Appendice B:Esempio di calcolo della corrente dicortocircuito .......................................................... 32

B1 Metodo dei componenti simmetrici .............. 33B2 Metodo approssimato delle potenze ............ 38

Glossario .............................................................. 40

07 cabineITA 26-10-2005, 15:291

2 Cabine MT/BT: teoria ed esempi di calcolo di cortocircuito


1 Generalit sulle cabine di trasformazione MT/BT

1.1 Tipologie classicheLa cabina elettrica di trasformazione costituita dallin-sieme dei dispositivi (conduttori, apparecchiature di mi-sura e controllo e macchine elettriche) dedicati alla tra-sformazione della tensione fornita dalla rete di distribu-zione in media tensione (es. 15kV o 20kV), in valori ditensione adatti per lalimentazione delle linee in bassatensione (400V - 690V).Le cabine elettriche possono essere suddivise in cabinepubbliche e cabine private:cabine pubbliche: sono di pertinenza della societ didistribuzione dellenergia elettrica ed alimentano le utenzeprivate in corrente alternata monofase o trifase (valoritipici della tensione per i due tipi di alimentazione pos-sono essere 230V e 400V). Si dividono a loro volta incabine di tipo urbano o rurale, costituite da un solo tra-sformatore di potenza ridotta. Le cabine urbane sonogeneralmente costruite in muratura mentre quelle ruralisono spesso installate allesterno direttamente sul tra-liccio della MT.cabine private: si possono spesso considerare comecabine di tipo terminale, cio cabine in cui la linea in MTsi ferma nel punto di installazione della cabina stessa.Sono di propriet dellutente e possono alimentare siautenze civili (scuole, ospedali, ecc.), sia utenze di tipoindustriale con fornitura dalla rete pubblica in MT. Que-

ste cabine sono nella maggioranza dei casi ubicate neilocali stessi dello stabilimento da esse alimentato e sonocostituite fondamentalmente da tre locali distinti:

- locale di consegna: dove sono installate leapparecchiature di manovra dellente distributore.Tale locale deve avere dimensioni tali da consentireleventuale realizzazione del sistema entra esci chelente distributore ha facolt di realizzare anche inun secondo tempo per soddisfare le proprie nuoveesigenze. Nel locale consegna presente il puntodi prelievo che rappresenta il confine e la connes-sione tra limpianto di rete pubblica e limpianto diutenza.

- locale misura: in cui sono collocati i gruppi di mi-sura.Entrambi questi locali devono avere laccesso dastrada aperta al pubblico, per permettere linterventoal personale autorizzato indipendentemente dallapresenza dellutente.

- locale utente: destinato a contenere il trasforma-tore e le apparecchiature di manovra e protezionein MT e BT di pertinenza dellutente. Tale locale devenormalmente essere adiacente agli altri due locali.

La figura 1 rappresenta la struttura tipica di una cabinacon la suddivisione dei locali descritta precedentemente.

Figura 1: Schema di principio della cabina

07 cabineITA 26-10-2005, 15:292

3Cabine MT/BT: teoria ed esempi di calcolo di cortocircuito

1 Generalit sulle cab

ine di trasfo

rmazio

ne MT

/BT

normalmente previsto che il cliente debba utilizzaretrasformatori MT/BT con:- primario a triangolo (), tranne quando sono previste

applicazioni particolari (saldatrici, azionamenti, ecc.),concordando la scelta con lente distributore;

- secondario stella a terra ( ), per ridurre i disturbiin rete e per rendere facilmente disponibile la tensioneconcatenata e di fase.

Lente distributore prescrive e definisce nella propria do-cumentazione ufficiale i criteri e le modalit per la con-nessione dei clienti normali (intesi come non altri pro-duttori di energia o utenti particolari con carichi distur-banti caratterizzati ad esempio da armoniche o flicker).Queste prescrizioni si applicano in modo specifico agliallacciamenti alla rete MT a tensione nominale di 15kV e20kV mentre, per altri valori di tensione MT, si possonoapplicare per analogia.

Di seguito riportiamo come esempio le prescrizioni for-nite da un ente distributore italiano e relative alla poten-za del trasformatore che pu essere utilizzato. I valori dipotenza ammessi sono i seguenti:- potenza non superiore a 1600kVA per reti a 15kV- potenza non superiore a 2000kVA per reti a 20kV.Le potenze indicate sono riferite ad un trasformatore convk%=6%. Se previsto il collegamento di pi macchine,il limite di taglia indicato deve essere applicato allinsie-me di trasformatori in parallelo.Viene stabilito anche illimite relativo alla potenza installabile e al fine di non pro-vocare interventi intempestivi della protezione di massi-ma corrente della linea MT durante le manovre di messain servizio dei propri impianti, il cliente non potr instal-lare pi di due trasformatori di taglia pari ai limiti prece-dentemente indicati con sbarre BT separate; in casocontrario, dovr prevedere nel proprio impianto oppor-tuni dispositivi al fine di evitare la contemporanea mes-

sa in servizio di quei trasformatori che determinerebbe-ro il superamento di tali limitazioni.Quando invece il dimensionamento della cabina preve-da limpiego di trasformatori con potenza complessivasuperiore rispetto al limite installabile, necessario unaccordo con la societ di distribuzione. Tecnicamentedovr essere previsto limpiego di un dispositivo ( pos-sibile utilizzare una protezione di minima tensione chedisalimenta i trasformatori in eccesso) che eviti la con-temporanea energizzazione dei trasformatori in modo chela corrente di magnetizzazione richiesta rimanga pari aquella dei due trasformatori di taglia limite consentita (es.2x1600kVA a 15kV).Il trasformatore connesso al punto di prelievo del loca-le consegna attraverso il cavo di collegamento in rameche deve avere una sezione minima di 95mm2 indipen-dentemente dalla potenza fornita. Tale cavo risulta es-sere di propriet dellutente e deve essere il pi cortopossibile.La tendenza attuale relativa alla gestione della connes-sione a terra del sistema quella di prevedere il passag-gio da neutro isolato a neutro a terra tramite impedenza.Questa modifica, necessaria per ridurre le correnti diguasto monofase a terra in continua crescita per effettodelluso sempre pi spinto di cavi sotterranei o aerei,implica anche ladeguamento delle protezioni contro iguasti a terra sia da parte dellente distributore che daparte dei clienti. Lintento anche quello di limitare il pipossibile interventi intempestivi migliorando la qualit delservizio.Dopo aver indicato quali sono le principaliregolamentazioni elettriche per una cabina MT/BT, ana-lizziamo quali possono essere le modalit di gestionepi comuni in relazione alla disposizione dei trasforma-tori di alimentazione per una cabina alimentata da unasola linea di media tensione.

Modalit 1

Cabina con un solo trasformatore

Nel caso in cui limpianto preveda linstallazione del dispositivo diprotezione contro le sovracorrenti IMT allorigine della linea chealimenta la cabina come da schema 1, tale dispositivo deve assicuraresia la protezione della linea MT che del trasformatore.

Nel caso in cui il dispositivo di protezione svolga anche funzioni dimanovra e sezionamento, occorre predisporre un interblocco checonsenta laccesso al trasformatore solo quando effettuato ilsezionamento della linea di alimentazione della cabina.

Unaltra modalit di gestione rappresentata nello schema 1a cheprevede linstallazione del dispositivo di manovra e sezionamento SMTposizionato subito a monte del trasformatore e distinto dal dispositivo diprotezione che rimane installato a inizio linea.

IMT

IBT

Linea MT

L1 L2

Schema 1

IMT

IBT

Linea MT

L1 L2

Schema 1a

SMT

07 cabineITA 26-10-2005, 15:293



Modalit 2


ine di trasfo

rmazio

ne MT

/BT

Cabina con due trasformatori di cui uno di riserva allaltro

Nel caso in cui limpianto prevede linstallazione di un trasformatoreconsiderato di riserva, gli interruttori sul lato BT devono essere collegaticon un interblocco I la cui funzione quella di impedire il funzionamentoin parallelo dei trasformatori.

Oltre al dispositivo di manovra e sezionamento sullarrivo linea MT (IGMT) conveniente prevedere unapparecchiatura di manovra, sezionamento eprotezione anche sui singoli montanti MT dei due trasformatori (IMT1 e IMT2).In questo modo con lapertura del dispositivo di monte e di valle di untrasformatore possibile garantire il sezionamento e accedere allamacchina senza mettere fuori servizio tutta la cabina.

Modalit 3

Cabina con due trasformatori che funzionano in parallelo sulla stessasbarra

Nel caso in cui limpianto preveda linstallazione di due trasformatorifunzionanti in parallelo, a parit di potenza complessiva richiestadallimpianto, possibile utilizzare due trasformatori con potenza nominaleinferiore. Rispetto alla modalit di gestione descritta nei due casiprecedenti, potrebbero generarsi correnti di cortocircuito pi elevate perguasto sul sistema di bassa tensione a causa della riduzione della vk%possibile per le macchine di potenza inferiore.Il funzionamento in parallelo dei trasformatori potrebbe generare maggioriproblematiche nella gestione della rete. Comunque, anche in questo caso,il fuori servizio di una macchina potrebbe richiedere una certa flessibilitnella gestione carichi, assicurando lalimentazione di quelli consideratiprioritari. Nel coordinamento delle protezioni si deve considerare che lasovracorrente sul lato BT si ripartisce tra i due trasformatori.

Cabina con due trasformatori che funzionano contemporaneamentesu due distinte semisbarre

A partire dalla modalit di gestione precedente, predisponendo uncongiuntore di sbarra CBT e un interblocco I che impedisca alcongiuntore di essere chiuso quando entrambi gli interruttori di arrivo daltrasformatore sono chiusi, si realizza una cabina gestita come da schema4 che prevede due trasformatori che alimentano singolarmente le sbarre dibassa tensione che risultano separate.Questa modalit di gestione, a parit di potenza dei trasformatori installati,permette di avere un valore inferiore della corrente di cortocircuito sullasbarra. In altre parole, ogni trasformatore stabilisce il livello di cortocircuitoper la sbarra di propria competenza senza dover considerare il contributodi altre macchine. Anche in questo caso con un trasformatore fuoriservizio, con leventuale chiusura del congiuntore si passa ad un sistemacon sbarra unica alimentata dal solo trasformatore sano, e deve essereprevista una logica di gestione carichi con il distacco di quelli nonprioritari.

Una gestione di impianto secondo lo schema 4 ad esempio possibileutilizzando gli interruttori aperti della serie Emax con interblocco a filo(interblocco meccanico) fra tre interruttori.

IGMT

IMT1

IBT1

IMT2

IBT2

L1 L2 L3

I

Schema 2

IGMT

IMT1

IBT1

IMT2

IBT2

L1 L2 L3

Schema 3

IGMT

IMT1

IBT1

IMT2

IBT2

L1 L6

I

Schema 4

CBTL2 L3 L4 L5

Modalit 4

07 cabineITA 26-10-2005, 15:294



ine di trasfo

rmazio

ne MT

/BT

1.2 Generalit sui trasformatori MT/BTIl trasformatore la parte pi importante della cabina ditrasformazione. La sua scelta condiziona la configura-zione della cabina ed effettuata in base a diversi fattori.

Non essendo argomento specifico di questa trattazionee volendo dare alcune indicazioni di carattere generalesi pu affermare che per la richiesta di piccole potenze(indicativamente fino a 630kVA - 800kVA) si pu installa-re un solo trasformatore, mentre per potenze superiori(indicativamente fino a 1000kVA - 1600kVA) si suddividela potenza su pi unit in parallelo.

Unaltra caratteristica da considerare nella scelta dellamacchina il tipo di raffreddamento che pu essere inaria o in olio. Con riferimento al condizionamento sullastruttura della cabina, nel caso di trasformatori raffred-dati in olio devono essere presi provvedimenti, ad esem-

pio quelli per evitare il propagarsi dellolio allesterno pre-vedendo un pozzetto per la raccolta come rappresenta-to in figura 2. Inoltre, la cabina deve avere una resisten-za minima al fuoco di 60 minuti (REI 60) e una ventilazio-ne solo verso lesterno. In funzione del tipo di raffredda-mento i trasformatori sono identificati come segue:

AN raffreddamento a circolazione naturale daria;AF raffreddamento a circolazione forzata daria;ONAN raffreddamento a circolazione naturale di olio e

di aria;ONAF raffreddamento a circolazione forzata di olio e

naturale di aria;OFAF raffreddamento a circolazione forzata di olio e di

aria.

La scelta pi frequente cade sui tipi AN e ONAN perch,non essendo quasi mai possibile presidiare le cabine, sconsigliabile utilizzare macchine che impieghino venti-latori o circolatori di olio.

Figura 2: Trasformatori ONAN contenenti pi di 500Kg dolio (> 800kVA)

07 cabineITA 26-10-2005, 15:295




ine di trasfo

rmazio

ne MT

/BT

Altre importanti caratteristiche da considerare sono quellerelative ai parametri elettrici e, oltre alle normali gran-dezze quali potenza nominale, tensione nominale se-condaria a vuoto, rapporto di trasformazione, tensionedi corto circuito percentuale vk%, assumono una grandeimportanza soprattutto nel funzionamento in parallelo:- la tipologia di collegamento degli avvolgimenti (per itrasformatori di cabina quello pi usato il triangolo/stella a terra)- gruppo CEI di collegamento, indicato convenzional-mente con un numero che, moltiplicato per 30, d il va-lore dellangolo di ritardo della tensione di fase lato BTrispetto a quella del lato MT.

La presenza di due o pi trasformatori MT/BT e di uneventuale congiuntore chiuso sulle sbarre di BT consen-te di gestire la rete elettrica con i trasformatori in paralle-lo.

Questa modalit di gestione provoca, in presenza di gua-sti, un aumento del valore della corrente di cortocircuitosul lato BT, con possibile conseguente aumento dellataglia degli interruttori in partenza dalla sbarra e condi-zioni di amaraggio per le sbarre pi gravose rispetto alfunzionamento con un unico trasformatore. Ci dovu-to ad un valore pi piccolo della vk% che caratterizza itrasformatori con potenza minore. Per contro il paralleloha il vantaggio, se opportunamente gestito, di consenti-re attraverso leventuale congiuntore lalimentazione al-

meno delle utenze considerate primarie anche in caso difuori servizio di uno dei trasformatori.Nel seguente esempio cerchiamo di mostrare laumentodella corrente di cortocircuito sulla sbarra nel caso ditrasformatori in parallelo:

Rete di alimentazione,potenza di cortocircuito .......................... Sknet=750MVATensione secondariadimpianto ............................................... V2n=400VPotenza del trasformatoresingolo..................................................... SnTR=1600kVATensione di cortocircuito delsingolo trasformatore .............................. vk%=6%Potenza del trasformatoreprevisto per il parallelo ............................ SnTR =800kVATensione di cortocircuito deltrasformatore di parallelo ........................ vk%=4%

Con questi dati e con dei rapidi calcoli si ottiene che conil singolo trasformatore da 1600kVA la corrente dicortocircuito sulla sbarra sar di circa 37kA.Con i due trasformatori da 800kVA in parallelo, la cor-rente di cortocircuito sulla sbarra sar di circa 55kA.

Con riferimento alla rete elettrica schematizzata in figura 3le considerazioni che seguono hanno lo scopo di illu-strare la filosofia di gestione delle protezioni:

Figura 3

IGMT

IMT1

IBT1

IMT2

IBT2

L1 L6CBT

L2 L3 L4 L5

G3

G4

G2

G1

07 cabineITA 26-10-2005, 15:296



ine di trasfo

rmazio

ne MT

/BT

Guasto G1 su una delle utenze BTIndipendentemente dalla presenza o meno delcongiuntore:con unopportuna scelta dei dispositivi di protezione esecondo le normali prescrizioni di selettivit in BT, pos-sibile discriminare il guasto ed assicurare la continuitdel servizio con la sola apertura dellinterruttore L1.

Guasto G2 sulla sbarra BTSenza congiuntore:il guasto viene estinto dai due interruttori generali latoBT (IBT1 e IBT2) dei trasformatori, provocando il fuori servi-zio completo dellimpianto. I trasformatori rimangonoalimentati a vuoto. Per evitare lapertura degli interruttoridi IMT.. anche in questo caso importante la ricerca dellaselettivit MT/BT.Con il congiuntore:si deve avere lapertura del congiuntore CBT con la con-seguente separazione delle sbarre e leliminazione com-pleta del guasto attraverso lapertura dellinterruttoregenerale IBT1. Lazione del congiuntore permette di man-tenere lalimentazione per la semisbarra non affetta daguasto. Lazione dei dispositivi di BT (IBT1 CBT IBT2) chesono tutti interessati dal guasto pu essere coordinataricorrendo a dispositivi in cui implementata la selettivitdi zona direzionale, quali ad esempio i rel di protezionePR123 per la serie Emax e PR333 per X1 di Emax.

Guasto G3 sul montante BT del trasformatoreSenza congiuntore:la corrente di guasto interessa i due trasformatori e puessere tale da provocare lintervento dei due dispositiviIMT.. e IBT.. dei trasformatori. La conseguenza sarebbe quel-la di avere tutto limpianto disalimentato. In questo casodiventa importante implementare e studiare una logicadi gestione dedicata (ad esempio selettivit direzionale)che permette lapertura di IBT1 e IMT1 isolando solo il tra-sformatore guasto. Dovrebbe essere prevista anche unalogica per il distacco dei carichi non prioritari, poichlimpianto sta funzionando con un solo trasformatore.Con il congiuntore:la logica di gestione rimane la stessa e potrebbe even-tualmente prevedere anche lapertura del congiuntore.

Guasto G4 sul montante MT del trasformatoreSenza congiuntore:la logica di gestione deve permettere limmediata aper-tura dellinterruttore IMT1 interessato dalla piena correntedi guasto (IMT2 vedr una corrente inferiore limitata dal-limpedenza dei due trasformatori) e se la gestione del-limpianto prevede il trascinamento, si ha conseguente-mente lapertura dellinterruttore IBT1 con isolamento delpunto di guasto e continuit di servizio garantita su tuttolimpianto attraverso lalimentazione con laltro trasfor-matore. Dovrebbe essere prevista anche una logica peril distacco dei carichi non prioritari, poich limpianto stafunzionando con un solo trasformatore.Con il congiuntore:la logica di gestione rimane la stessa, il congiuntoreavrebbe la sola funzione di separare le sbarre eliminan-do quella di competenza del trasformatore escluso.

Dopo aver analizzato le modalit di gestione del guastoche in alcune circostanze risultano anche abbastanzacomplesse a causa della doppia alimentazione dovutaai trasformatori in parallelo, vediamo quali devono esse-re i requisiti minimi perch due trasformatori possanofunzionare in parallelo:

a) i collegamenti interni devono appartenere allo stessogruppo ed i trasformatori devono avere lo stesso rap-porto di trasformazione. Con il rispetto di queste pre-scrizioni le due terne di tensione risultano coincidenti ein opposizione di fase, non vi sono quindi differenzevettoriali fra le tensioni secondarie di ogni singola ma-glia e non si genera nessuna corrente di circolazione. Incaso contrario si produrrebbero delle correnti di circola-zione che possono danneggiare i trasformatori gi nelloro funzionamento a vuoto;

b) le tensioni di cortocircuito (vk%) devono essere le stes-se. Con questo accorgimento la corrente totale del cari-co si suddivide fra i due trasformatori in proporzione allerispettive potenze nominali. Se cos non fosse i due tra-sformatori si caricherebbero diversamente e tendereb-be a caricarsi maggiormente quello che presenta la pipiccola caduta di tensione interna.

07 cabineITA 26-10-2005, 15:297




ine di trasfo

rmazio

ne MT

/BT

Figura 4

1.4 Dispositivi di protezione BTA valle del trasformatore sono presenti i dispositivi diprotezione BT.Le comuni funzioni di protezione tipicamente disponibilisul dispositivo BT sono le funzioni di protezione contro ilsovraccarico e contro il cortocircuito e la protezione perguasto a terra.Di seguito forniamo una breve descrizione di queste fun-zioni di protezione implementate sugli sganciatori elet-tronici a microprocessore:- protezione contro i sovraccarichi

identificata con la funzione L una protezione a tem-po inverso regolabile in corrente e in tempo. Sui rel diprotezione elettronici ABB viene indicata anche comefunzione I1.

- protezione contro il cortocircuitoidentificata con la funzione S contro il cortocircuitoritardato (sui rel di protezione elettronici ABB vieneindicata anche come funzione I2) e I contro ilcortocircuito istantaneo (sui rel di protezione elettro-nici ABB viene indicata anche come funzione I3).La funzione S pu essere a tempo inverso o a tempocostante, regolabile in corrente e in tempo. La funzio-ne I a tempo costante e con la sola correnteregolabile.

- protezione contro i guasti a terraidentificata con la funzione G pu essere a tempoinverso o a tempo costante, regolabile in corrente e intempo. La protezione pu essere realizzata sul centrostella del trasformatore con toroide esterno.

La curva in colore giallo rappresenta il comportamentodellinterruttore per valori di corrente molto superiori allaprotezione I3 impostata.Nel grafico di figura 4 riportato un esempio che rap-presenta una curva di intervento tempo/corrente di uninterruttore di BT in cui sono attive tutte le funzioni pre-cedentemente descritte.

Con un esempio cerchiamo di chiarire il significato e comesi pu lavorare con le informazioni che caratterizzano la

1.3 Dispositivi di protezione MT: cenni suilimiti imposti dagli enti distributori

La linea di distribuzione di media tensione che alimentala cabina dellutente dotata in partenza di proprie pro-tezioni di massima corrente e contro i guasti a terra. Lentedistributore non installa quindi alcun dispositivo di pro-tezione presso il cliente.

Al fine di evitare che guasti interni allimpianto sia in MTche in BT abbiano ripercussioni sullesercizio della retedi distribuzione, il cliente deve installare adeguate prote-zioni generali.

La scelta delle protezioni e il loro coordinamento devonoassicurare come prestazione fondamentale la sicurezzaattraverso la protezione delloperatore e delle macchine,garantendo anche una buona affidabilit di esercizio del-limpianto.

Di seguito vengono fornite alcune indicazioni sulle carat-teristiche che devono avere e come possono interagirefra loro le varie funzioni di protezione lato media e bassatensione.La protezione dellente distributore lavora solitamente concaratteristiche dintervento a tempo indipendente; le so-glie dintervento comunicate al cliente rappresentano illimite superiore da rispettare per evitare interruzioni in-desiderate.

Di seguito diamo un esempio del campo di taratura deldispositivo di protezione per le diverse soglie di prote-zione:

- Soglia max corrente (sovraccarico) 51:soglia (30600)A a gradini di 15A (valori primari);tempo di ritardo (0,055)s a gradini di 0,05s.

- Soglia max corrente (corto circuito) 50:soglia (303000)A a gradini di 15A (valori primari);tempo di ritardo (0,050,5)s a gradini di 0,05s.

- Protezione contro i guasti a terra:In relazione alle caratteristiche dellimpianto del clien-te la protezione contro i guasti a terra pu essere co-stituita o da una protezione direzionale di terra abbina-ta ad una massima corrente omopolare 67N oppureda una semplice protezione di massima correnteomopolare 51N.Ad esempio per la protezione di massima correnteomopolare i campi di taratura previsti sono i seguenti:soglia max corrente (010)A a gradini di 0,5A (valori primari);tempo di ritardo (0,051)s, a gradini di 0,05s.

1E4s

1E3s

100s

10s

1s

0.1s

1E-2s

0.1kA 1kA 10kA

07 cabineITA 26-10-2005, 15:298



ine di trasfo

rmazio

ne MT

/BT

curva a tempo inverso con caratteristica ad I2t costante,come quelle disponibili per la funzione L - S - G.

Riferendosi alla funzione di protezione L implementatasul rel che equipaggia un interruttore scatolato dellaserie Tmax, ad esempio un T2...160 In100 (con In siindica la taglia del rel di protezione montata sullinter-ruttore) le possibili curve di intervento sono la curva tipoA e tipo B.La curva di tipo A caratterizzata dal passaggio per ilpunto identificato da:

6 x I1 con un tempo t1=3 secondi.La curva di tipo B caratterizzata dal passaggio per ilseguente punto:

6 x I1 con un tempo t1=6 secondiIpotizzando un generico settaggio per

I1=0.6 x In=0.6x100=60Aquanto sopra significa che le due curve settabili, in cor-rispondenza di 6 x I1=360A saranno caratterizzate da untempo di intervento (senza le tolleranze) di 3 secondi o 6secondi, come si pu vedere dal grafico tempo/correntedella figura 5.

Figura 5

Trattandosi di curve a I2t costante, dovr sempre essereverificata la seguente condizione:

per la curva A:(6 x I1)2 x 3 = cost = I2t

per la curva B:(6 x I1)2 x 6 = cost = I2t

Ad esempio, con queste condizioni risulta possibile de-terminare quale sar il tempo di intervento della prote-zione per una corrente di sovraccarico uguale a 180A.Quindi, dalle formule precedenti, si ottengono le seguenticondizioni:

(6 x I1)2 x 3 = 1802 x tA(6 x I1)2 x 6 = 1802 x tB

che forniscono rispettivamentetA = 12stB = 24s

Questi risultati ottenuti matematicamente sono ovvia-mente riscontrabili con immediatezza nellandamentodelle curve di intervento, come rappresentato nel dia-gramma tempo corrente di figura 6.

Figura 6

Se ad esempio le esigenze impiantistiche richiedono cheil sovraccarico ipotizzato di 180A debba essere estintoin un tempo inferiore a 15secondi, dallanalisi fatta con-segue che la caratteristica di intervento utilizzabile esettabile sul rel di protezione quella definita comecurva A (tempo di intervento t1=3secondi per una cor-rente pari a 6 x I1).Sempre con riferimento alla condizione

(6 x I1)2 x t = costper scegliere quale curva di intervento risulti adatta perlestinzione del sovraccarico di 180A in un tempo infe-riore ai 15secondi, si pu procedere nel modo inverso,sempre impostando la relazione:

(6 x 0.6 x 100)2 x t = cost = 1802 x 15che permette di calcolare il ritardo massimo che dovrebbeavere la caratteristica di intervento per rispettare le pre-scrizioni dellimpianto.Esplicitando il tempo si ricava un valore pari a:

t = 3.75sLa curva idonea sar quella con t1 minore di t. Lacurva da utilizzare sar perci la curva A, come ovvia-mente emerso dallanalisi precedente.

Spesso le protezioni, prevalentemente quelle di MT, sonoindicate con codici alfanumerici del tipo 50 51N - 67che non trovano riscontro nella tipica nomenclatura usatain BT. Di seguito, si forniscono alcune indicazioni perchiarire il significato dei codici pi comunemente utiliz-zati e per costruire una corrispondenza, dove possibile,tra le indicazioni utilizzate per identificare le protezioni inMT e quelle utilizzate in BT.In Italia vigente la Norma CEI 3-19 terza edizione chedefinisce la simbologia e la relativa funzione dei rel tipi-camente utilizzati negli impianti elettrici. Per molti ope-ratori del settore elettrico, prassi comune utilizzare lacodifica della norma ANSI/IEEE C37.2.

100s

10s

1s

0.1kA 1kA0.1s

6 Sec

3 Sec

Curva B

Curva A

6xI1=360 A

100s

10s

1s

0.1kA 1kA

1E3s

Tempo x 180A curva B=24s

Curva B

Curva A

Is=180 A

Tempo x 180A curva A=12s

07 cabineITA 26-10-2005, 15:299



Di seguito viene riportato un esempio di corrispondenzatra la simbologia CEI/IEC e la simbologia ANSI/IEEE peralcune principali funzioni di protezione MT.

50 Rel o apparecchio selettivo di cortocircuito.Interviene istantaneamente per valori eccessivi di cor-rente. Pu essere assimilata ad una protezione I perun rel di BT.

51 Rel o apparecchio di massima corrente di fasetemporizzata.Interviene con un ritardo per sovraccarico o cortocircuitotra le fasi. Pu essere assimilata ad una protezione Sper un rel di BT.

51N oppure 51G Rel o apparecchio di massima cor-rente di terra temporizzata.Intervengono con un ritardo per guasto a terra. Nel det-taglio:51N : corrente residua misurata sul ritorno comune TA.Pu essere assimilata ad una protezione G per un reldi BT.51G : corrente residua misurata direttamente su un soloTA o TA toroidale. Pu essere assimilata ad una prote-zione ottenibile ad esempio con un toroide omopolareche comanda un differenziale regolabile nei tempi di in-tervento (tipo RCQ) oppure attraverso la funzione G del

rel di protezione alimentato con torioide esterno.50N o 50G Rel o apparecchio di massima corrente diterra istantanea.Interviene istantaneamente per un guasto a terra. Neldettaglio:50N : corrente residua misurata sul ritorno comune TA.Pu essere assimilata ad una protezione G a tempocostante per un rel di BT.50G : corrente residua misurata direttamente su un soloTA o TA toroidale. Pu essere assimilata ad una prote-zione ottenibile ad esempio con un toroide omopolare.

67 Rel direzionale di potenza oppure rel direzionale dimassima corrente, per corrente alternata.Interviene per un determinato valore della potenza tran-sitante in una certa direzione, oppure per massima cor-rente accompagnata da passaggio di potenza in una di-rezione determinata.Pu essere assimilata ad una protezione D per un reldi BT.

49 Rel o dispositivo termico in corrente alternata.Interviene quando la temperatura della macchina o del-lapparecchio in c.a. supera un determinato valore.Pu essere assimilata alla protezione L da sovraccari-co di un rel di BT, anche se la protezione da sovracca-rico vera e propria in MT non prevista.

Tabella 1


ine di trasfo

rmazio

ne MT

/BT

CodiceANSI/IEEE Definizione della funzione

Simbologia corrispondentealla Norma CEI 3-19

51

50

51N

50N

67

67N

Massima corrente di fase temporizzata

Massima corrente di fase istantanea

Massima corrente di terra temporizzata

Massima corrente di terra istantanea

Massima corrente di fase direzionale

Massima corrente omopolare direzionale

= 0

= 0

= 0

= 0

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2910


2 Calcolo della corrente di cortocircuito

2.1 Dati necessari per il calcoloDi seguito forniamo delle indicazioni di massima relativeai parametri tipici che caratterizzano i principali compo-nenti che si trovano in un impianto.La conoscenza di questi parametri risulta vincolante perpoter eseguire unanalisi dellimpianto.

Rete di distribuzioneIn una rete di media tensione lunico parametro normal-mente noto la tensione nominale.Per valutare le correnti di cortocircuito necessario co-noscere la potenza di cortocircuito della rete che puvariare indicativamente tra 250MVA e 500MVA per retifino a 30kV.Salendo con il livello di tensione la potenza dicortocircuito pu variare indicativamente tra 700MVA e1500MVA.Nella tabella 1 vengono riportati i valori di tensione dellarete di distribuzione in MT e i relativi valori della potenzadi cortocircuito ammessi dalla norma CEI EN 60076-5.

Tensione della rete Potenza di cortocircuito Potenza di cortocircuitodi distribuzione della rete europea della rete nord-americana

[kV] [MVA] [MVA]

7.21217.5-24 500 50036 1000 1500

5272.5 3000 5000

Generatore sincronoI dati solitamente noti per una macchina elettrica sono latensione nominale Vn e la potenza apparente nominaleSn.Per la macchina sincrona, come per ogni macchina elet-trica, per una analisi completa occorre inoltre valutare:- il comportamento a regime per lanalisi dei problemi distabilit statica;- il comportamento in transitorio quando il carico variabruscamente per lanalisi dei problemi di stabilit dina-mica, in particolare quando si verifica un cortocircuitotrifase.Risulta quindi necessario conoscere i valori dellereattanze di macchina, in particolare:- per il primo tipo di problema il parametro determinan-

te la reattanza sincrona;- per il secondo la reattanza transitoria con le relative

costanti di tempo e la reattanza subtransitoria.Nella nostra trattazione non scenderemo nel dettagliodellanalisi statica e dinamica dei fenomeni legati al ge-neratore, ma ci limiteremo a studiare e determinare:- il valore massimo della corrente negli istanti iniziali del

cortocircuito, da cui dipendono, tra laltro,gli sforzi sugliavvolgimenti, sui collegamenti generatore-trasforma-tore, sulle fondazioni dellalternatore.

Dove:X il valore effettivo in ohm della reattanza considerata;In la corrente nominale della macchina;Vn la tensione nominale della macchina.

x% =XIn3

Vn100

Tabella 1

- landamento della corrente di cortocircuito che risultafondamentale per il corretto coordinamento delle pro-tezioni nella rete alimentata. La corrente di cortocircuitonel grafico tempo/corrente ha un tipico andamento incui, prima di assumere il suo valore di regime, rag-giunge valori pi elevati che si smorzano progressiva-mente.

Questo comportamento giustificabile con il fatto chelimpedenza della macchina, che praticamente costi-tuita dalla sola reattanza, non ha un valore definito mavaria istante per istante, perch il flusso magnetico, dacui essa dipende, non assume immediatamente la con-figurazione di regime. Ad ogni configurazione delflusso corrisponde un diverso valore dellinduttanza fon-damentalmente per il diverso percorso delle linee ma-gnetiche. Inoltre non c un solo circuito ed una solainduttanza, ma pi induttanze (dellavvolgimento darma-tura, dellavvolgimento di campo, dei circuiti smorzatori),che sono anche tra di loro mutuamente accoppiate. Persemplificare, vengono presi in considerazione i seguentiparametri:reattanza subtransitoria diretta Xdreattanza transitoria diretta Xdreattanza sincrona diretta Xd

Levoluzione nel tempo di questi parametri condizionalandamento della corrente di cortocircuito nel genera-tore. Le reattanze sono generalmente espresse in p.u.(per unit) e in percentuale. Sono cio riferite alle gran-dezze nominali delle macchina.Possono essere determinate con la seguente relazione:

Come ordini di grandezza per le varie reattanze possia-mo indicare i seguenti valori:- reattanza subtransitoria: i valori variano tra il 10% e il

20% nei turboalternatori (macchine isotrope a rotoreliscio); e tra il 15% ed il 30% nelle macchine a polisalienti (anisotrope);

- reattanza transitoria: pu variare tra il 15 ed il 30% neiturboalternatori (macchine isotrope a rotore liscio), etra il 30% ed il 40% nelle macchine a poli salienti(anisotrope);

- reattanza sincrona: i valori variano tra il 120% e il 200%nei turboalternatori (macchine isotrope a rotore liscio);e tra il 80% ed il 150% nelle macchine a poli salienti(anisotrope);

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2911



2 Calco

lo d

ella corrente d

i corto

circuito

Potenza nominale Tensione di cortocircuitoSn [kVA] vk%

630 4

630 < Sn 1250 5

1250 < Sn 2500 6

2500 < Sn 6300 7

6300 < Sn 25000 8

La capacit di lavorare in condizioni di sovraccarico di-pende dalle caratteristiche costruttive di ogni singolo tra-sformatore. A livello generale e come informazione dimassima si pu considerare la capacit di lavorare incondizioni di sovraccarico per trasformatori in olio comeindicato nella norma ANSI C57.92 e riportato nella ta-bella 3.

Multiplo della correntenominale del trasformatore Tempo [s]

25 2

11.3 10

6.3 30

4.75 60

3 300

2 1800

Motore asincronoI dati solitamente noti per il motore asincrono sono lapotenza attiva nominale in kW, la tensione nominale Vn ela corrente nominale In. Dai dati di targa anche disponi-bile il valore di rendimento e il fattore di potenza cos.In caso di cortocircuito, il motore asincrono funzionacome generatore al quale si assegna una reattanzasubtransitoria che varia tra il 20% e il 25%. Ci significaconsiderare come contributo al cortocircuito una correntedi valore pari a 4-5 volte la corrente nominale.

2.2 Calcolo della corrente di cortocircuitoCon riferimento alla rete elettrica schematizzata in figura1, si ipotizza un cortocircuito sui morsetti del carico. Larete pu essere studiata e rappresentata utilizzando iparametri resistenze e reattanze di ogni componente elet-trico.I valori di resistenza e reattanza devono essere tutti ri-portati allo stesso valore di tensione assunta come rife-rimento per il calcolo della corrente di cortocircuito.Il passaggio dai valori di impedenza Z1 riferiti ad una ten-sione superiore (V1) ai valori Z2, riferiti ad una tensioneinferiore (V2), avviene attraverso il rapporto di trasformazione

K =V1V2

secondo la seguente relazione: Z2 =Z1K2

Figura 1

La struttura della rete elettrica presa in considerazionepermette una rappresentazione con elementi in serie; siottiene cos un circuito equivalente come quello rappre-sentato in figura 2 che permette il calcolo dellimpeden-za equivalente vista dal punto di guasto.

Figura 2

RknetVEQ

Xknet RTR XTR RC XC

Nel punto del cortocircuito viene posizionata una sor-gente di tensione equivalente (VEQ) con valore:

VEQ =c Vn

3Il fattore c dipende dalla tensione del sistema e tieneconto dellinfluenza dei carichi e della variazione dellatensione di rete.

In base a queste considerazioni passiamo a determina-re i valori di resistenza e reattanza che caratterizzano glielementi che compongono limpianto.

net

Utenza L

Rete di distribuzione

Trasformatore

Cavo

Guasto

Tabella 2

Tabella 3

TrasformatoreConsideriamo una macchina MT/BT con avvolgimentoprimario a triangolo () e avvolgimento secondario stellaa terra ( ).I parametri elettrici normalmente noti e che caratterizza-no la macchina sono i seguenti:- potenza apparente nominale Sn [kVA]- tensione nominale primaria V1n [V]- tensione nominale secondaria V2n [V]- tensione di cortocircuito in % vk% (valori tipici sono 4% e 6%)Con questi dati possibile determinare la corrente no-minale primaria e secondaria e le correnti in condizionidi guasto.Nella tabella 2 si riportano i tipici valori della tensione dicortocircuito vk% in relazione alla potenza nominale deitrasformatori (riferimento norma CEI EN 60076-5)

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2912


2 Calco

lo d

ella corrente d

i corto

circuito

Rete di alimentazione (net)Nella maggior parte dei casi limpianto risulta essere ali-mentato da una rete di distribuzione in media tensione,di cui abbastanza facilmente possono essere disponibiliil valore della tensione di alimentazione Vnet e la correnteiniziale di cortocircuito Iknet.Sulla base di questi dati e di un coefficiente correttivoper la variazione di tensione causata dal cortocircuito possibile determinare limpedenza diretta di cortocircuitodella rete con la seguente formula:

Zknet =c Vnet

3 IknetPer il calcolo dei parametri resistenza e reattanza di rete,possono essere utilizzate le seguenti relazioni:

Rknet = 0.1 Xknet

Xknet = 0.995 Zknet

Se per la rete di distribuzione fosse nota la potenza ap-parente di cortocircuito Aknet sarebbe possibile determi-nare limpedenza che rappresenta la rete con la seguen-te relazione:

Zknet =V2netSknet

TrasformatoreLimpedenza della macchina pu essere calcolata attra-verso i parametri nominali della macchina stessa (ten-sione nominale V2n; potenza apparente SnTR ; caduta ditensione percentuale vk%) utilizzando la formula seguen-te:

ZTR =V22n vk%100 SnTR

La componente resistiva pu essere determinata attra-verso la conoscenza del valore delle perdite totali PPTRriferite alla corrente nominale secondo la relazione se-guente:

RTR =PPTR

I22n3La componente reattiva pu essere determinata con laclassica relazione

XTR = (ZTR2 RTR

2)

Cavi e linee aereeIl valore di impedenza di questi elementi di connessionedipende da diversi fattori (tecniche costruttive, tempe-ratura ecc..) che condizionano la resistenze lineare r e lareattanza lineare x. Questi due parametri espressi perunit di lunghezza sono forniti dal costruttore del cavo.In generale limpedenza espressa dalla formula seguen-te :

Zc = (rc + xc)L

In genere i valori di resistenza sono riferiti ad una tempe-ratura di riferimento di 20C; per temperature di eserci-zio diverse con la formula seguente possibile riporta-re il valore di resistenza alla temperatura di esercizio.

r = 1[ + ( 20) ] r20dove: il coefficiente di temperatura che dipende dal tipo dimateriale (per il rame vale 3.95x10-3).

Calcolo della corrente di cortocircuitoLe definizione dei valori delle resistenze e delle reattanzedi cortocircuito dei principali elementi che costituisconoun circuito permettono il calcolo delle correnti dicortocircuito nellimpianto.

Con riferimento alla figura 2, attraverso la modalit diriduzione di elementi in serie si determina:- il valore di resistenza totale di cortocircuito RTk = R- il valore di reattanza totale di cortocircuito XTk = XNoti i due parametri precedenti possibile determinareil valore di impedenza diretta totale di cortocircuito ZTk

ZTk = (RTk2 + XTk

2)

Determinata limpedenza equivalente vista dal punto diguasto, possibile procedere con il calcolo della cor-rente di cortocircuito trifase:

generalmente considerato come il guasto che provo-ca le correnti pi elevate (tranne che in condizioni parti-colari). In assenza di macchine rotanti, o quando la loroazione scemata, rappresenta anche la corrente per-manente di cortocircuito ed il valore preso come riferi-mento per determinare il potere di interruzione del di-spositivo di protezione.

Valore della corrente trifase simmetrica di cortocircuito

Ik3F =c Vn3 ZTk

ZL

ZL

ZL

ZN

Ik3F

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2913



2 Calco

lo d

ella corrente d

i corto

circuito

Di seguito riportato un esempio di calcolo della corrente di cortocircuito utilizzando la relazione precedentementeriportata.

Potenza e corrente di cortocircuito della rete di alimentazioneSknet = 500MVA, Iknet = 14.4kATensione nominale della rete di alimentazione Vnet = 20kVCavo di media tensione:

Resistenza RCMT = 360mReattanza XCMT = 335m

Potenza nominale del trasformatore SnTR = 400kVATensione nominale secondaria del trasformatore V2n = 400VProva in cortocircuito per il trasformatore: vk% =4%; pk% = 3%

Cavo di bassa tensione con lunghezza L = 5m:Resistenza RCBT = 0.388mReattanza XCBT = 0.395m

Esempio:Con riferimento alla rete schematizzata riportiamo i pa-rametri elettici dei vari componenti:

net

Cavo MT

TrasformatoreMT/BT

Cavo BT

Con riferimento alla relazione precedente si procede alcalcolo dellimpedenza complessiva dei vari elementi perdeterminare la corrente di guasto trifase nel punto indi-cato.Poich il guasto sul lato BT, tutti i parametri calcolatiper la porzione di rete a MT dovranno essere riportatialla tensione nominale secondaria con il coefficiente

K =400

20000 = 50Per indicazioni e considerazioni pi approfondite per il calcolo dellacorrente di cortocircuito si veda Appendice B di questa pubblica-zione.

(1) Il fattore di tensione c necessario per simulare leffetto di alcunifenomeni che non sono esplicitamente considerati nel calcolo, quali adesempio:le variazioni di tensione nel tempo;i cambi di presa dei trasformatori;i comportamenti subtransitori delle macchine rotanti (generatori e motori).

Rete di alimentazione

Xknet 400V = 0.995 0.000348Zknet 400V =

Zknet 400V =Zknet =

0.88= 0.00035

502K2

Rknet 400V = 0.1 0.0000348Xknet 400V =

1.1Zknet =c Vnet =

Iknet= 0.88

1033

20000

3 14.4

Cavo di media tensione

Trasformatore

RCMT 400V =RCMT = = 0.000144

K2360

50210-3

XCMT 400V =XCMT = = 0.000134

K2335

50210-3

ZTR = = = 0.016V22n vk%

100 SnTR 103

44002

100 400

PPTR = = = 12kWpk% SnTR

100103

3

100400

I2n = = = 577ASnTR

V2n3

400

4003

103

XTR = ( =ZTR2 RTR

2) ( 0.0162 ) 0.0122 =0.0106

Cavo di bassa tensione

RCBT = 0.388mXCBT = 0.395m

Il valore di resistenza totale di cortocircuito dato da: RTk = RRTk = Rknet 400V + RCMT 400V + RTR + RCBTRTk = 0.0000348 + 0.000144 + 0.012 + 0.000388 = 0.01256

Il valore di reattanza totale di cortocircuito dato da: XTk = XXTk = Xknet 400V + XCMT 400V + XTR + XCBTXTk = 0.000348 + 0.000134 + 0.0106 + 0.000395 = 0.01147

RTR = = = 0.012PPTR

3

12000

I22n 3 5772

Valore della corrente trifase simmetricadi cortocircuito

Calcoliamo il valore dellimpedenza totale di cortocircuito

ZTk = ( =RTk2 + XTk

2 ) )=0.017( 0.012562+ 0.011472

e iptizzando il fattore c(1) = 1.1 il valore della corrente di cortocircuito ilseguente

Ik3F = = = 14943Ac V2n

ZTk3

1.1 400

0.0173= 14.95kA

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2914


2 Calco

lo d

ella corrente d

i corto

circuito

2.3 Calcolo del contributo motoriIn caso di cortocircuito, il motore passa a funzionare dageneratore e alimenta il guasto per un tempo limitato ecorrispondente a quello necessario per eliminare lener-gia che risulta immagazzinata nel circuito magnetico delmotore. Attraverso una rappresentazione elettrica delmotore con la propria reattanza subtransitoria X si pucalcolare il valore numerico del contributo del motore.Spesso questo dato di difficile reperibilit perci prassicomune considerare il contributo motore al cortocircuitocome multiplo della corrente nominale del motore. I va-lori tipici del coefficiente moltiplicativo variano da 4 a 6volte.Con riferimento invece alla durata si pu considerare che,per un motore BT, leffetto del contributo alla corrente dicortocircuito risulti trascurabile gi dopo i primi periodidallinizio del cortocircuito.La norma IEC 60909 o CEI 11-28 fornisce le indicazioniminime per cui il fenomeno deve essere preso in consi-derazione, dovr essere

( InM >Ik

100)

dove:InM rappresenta la somma delle correnti nominali deimotori connessi direttamente alla rete dove avviene ilcortocircuito. Ik la corrente di cortocircuito trifase de-terminata senza contributo motori.

2.4 Calcolo della corrente di piccoLa corrente di cortocircuito Ik pu essere consideratacomposta da due componenti:

una componente simmetrica is con forma dondasinusoidale e appunto simmetrica rispetto allasseorizzontale dei tempi. Questa componente espres-sa dalla seguente relazione:

is = 2 Ik sen ( t k )

una componente unidirezionale iu con andamen-to esponenziale dovuto alla presenza di una com-ponente induttiva. Tale componente caratterizza-ta da una costante di tempo =L/R (con R si in-tende la resistenza e con L linduttanza del circui-to a monte del punto di guasto) e si estingue dopo3-6 volte .

iu = 2 Ik senk e LR

t

La componente unidirezionale durante il periodo transi-torio rende la corrente di cortocircuito asimmetrica, ca-ratterizzata da un valore massimo detto valore di picco

Figura 3

30000

25000

20000

15000

10000

5000

0

-5000

-10000

-15000

-20000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

[A]

[ms]

Ik

is

iu

Come noto, le prestazioni in cortocircuito di un interrut-tore, con riferimento alla tensione di esercizio del dispo-sitivo, sono definite principalmente dai seguenti para-metri:Icu = potere di interruzioneIcm = potere di chiusura

Il potere di interruzione Icu definito con riferimento alvalore efficace della componente simmetrica della cor-rente di cortocircuito. Si pu dire che il valore efficace diuna corrente sinusoidale rappresenta quella intensit dicorrente continua che, in pari tempo, ne produce i me-desimi effetti termici. In genere le grandezze sinusoidalivengono sempre espresse mediante il loro valore effica-ce. Per valore efficace si pu considerare quel valore dicorrente di cortocircuito che normalmente si calcola conla classica relazione:

Ik =V

(R2 + X2)

che risulta superiore rispetto a quello che competereb-be ad una grandezza puramente sinusoidale. In genera-le possiamo dire che, considerando il valore efficace dellacomponente simmetrica della corrente di cortocircuitoIk, il valore del primo picco di corrente pu variare da

2 Ik a 2 2 Ik .

Trascorso il periodo transitorio la corrente di cortocircuitodiventa praticamente simmetrica. Landamento delle cor-renti riportato nella figura 3.

Il potere di chiusura Icm definito con riferimento al va-lore di picco massimo della corrente presunta dicortocircuito.

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2915



Poich ogni elemento con impedenza modifica la cor-rente di cortocircuito a valle dello stesso, e poich lin-terruttore un elemento con impedenza propria, si defi-nisce la corrente presunta come quella corrente che flu-isce quando il dispositivo di protezione sostituito conun elemento di impedenza nulla.

La norma di prodotto IEC 60947-2 o CEI EN 60947-2fornisce una tabella che permette di passare dal valoredella corrente di cortocircuito in valore efficace simme-trico al rispettivo valore di picco, attraverso uncoefficiente moltiplicativo legato anche al fattore di po-tenza dellimpianto. Questa tabella costituisce il riferi-mento per determinare il valore di Icu e di Icm dei variinterruttori.

Passando dalle caratteristiche dellinterruttore a quelledellimpianto, se risulta immediato il calcolo del valoreefficace della componente simmetrica della corrente dicortocircuito determinarne il relativo valore di picco po-trebbe essere meno immediato. I parametri necessari,quali il fattore di potenza in cortocircuito o il rapporto trala resistenza e linduttanza del circuito a monte del pun-to di guasto, non sempre risultano essere disponibili.

La norma CEI 11-28 (IEC 60909) fornisce indicazioni utiliper il calcolo della corrente di picco, in particolare indicala relazione seguente:

ip = k 2 Ikdove il valore di k pu essere valutato con la seguen-

te formula approssimata: k = 1.02 + 0.98 e-3 R

X

2 Calco

lo d

ella corrente d

i corto

circuito

2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

1.0

a)

k

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2R/X

2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

1.0

b)

k

0.5 1 2 5 10 20 200X/R

50 100

Esempio:Ipotizzando un valore efficace della componente simmetrica della corrente di cortocircuito trifase Ik=33kA e unfattore di potenza in condizione di cortocircuito (cosk=0.15), vediamo come possibile procedere per determinareil picco:

dal valore del cosk possibile esplicitare il rapporto X/R attraverso il calcolo della tangente; da un rapido calcolo siricava il valore di X/R = 6.6 da cui, attraverso il grafico o la formula si ricava il valore di k=1.64 che in corrispondenzadella corrente di cortocircuito trifase Ik=33kA fornisce un valore di picco ip=76.6kA.

Ipotizzando di dover effettuare la scelta di un dispositivo di protezione per un impianto con tensione nominale di400V, con riferimento alla sola corrente di cortocircuito trifase potrebbe essere utilizzato un interruttore con potere diinterruzione Icu=36kA a cui per corrisponderebbe secondo la norma IEC 60947-2 un potere di chiusura Icm=75.6kA.Tale valore del potere di chiusura risulta essere inferiore al valore di picco che si pu stabilire nellimpianto in ogget-to, per cui questo fatto rende la scelta non corretta e condiziona allutilizzo di una versione dellinterruttore avente unpotere di interruzione superiore (ad esempio 50kA) e di conseguenza Icm superiore e adeguata al picco dellimpianto.

Da questo esempio si vede come in prima battuta si sarebbe erroneamente scelto un interruttore in versione Ncio con 36kA di potere di interruzione; mentre le considerazioni sul picco portano ad utilizzare un interruttore inversione S o H.

oppure attraverso i grafici seguenti che riportano appuntoil valore di k in funzione del parametro R/X o X/R.

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2916


3 Scelta dei dispositivi di protezione e comando

3.1 Generalit sui principali parametrielettrici dei dispositivi di protezione emanovra

In generale, quando si deve effettuare lanalisi e la sceltadi un dispositivo di manovra e protezione quale ad esem-pio un interruttore, si devono valutare alcuni parametrielettrici che caratterizzano il dispositivo stesso, qualicorrente nominale e potere dinterruzione.Di seguito diamo una breve descrizione di questi para-metri ponendoli in relazione anche alle grandezze elet-triche dellimpianto.

Tensione nominale di impiego Ue: rappresenta il valoredella tensione che determina il limite di impiego dellap-parecchio e al quale sono riferiti tutti gli altri parametritipici dellapparecchio. generalmente espressa cometensione concatenata cio come tensione tra fase e fase.

Corrente ininterrotta nominale Iu: rappresenta il valore dicorrente che lapparecchio in grado di portare per untempo indefinito (settimane, mesi o anche anni). Questoparametro viene utilizzato per definire la taglia dellinter-ruttore.

Corrente nominale In: rappresenta il valore di correnteche caratterizza il rel di protezione installato a bordointerruttore e determina, in base ai settaggi disponibilisul rel, la caratteristica di protezione dellinterruttorestesso. Questa corrente spesso riferita alla correntenominale dellutenza protetta dallinterruttore.

Potere di interruzione nominale estremo in cortocircuitoIcu: rappresenta il valore efficace della componente sim-metrica della corrente di cortocircuito che linterruttore in grado di interrompere. Tale valore stabilito attraver-so un ciclo di prova ben definito (O-t-CO) e ben determi-nate modalit di prova descritte nella norma di prodottoIEC 60947-2. Gli interruttori sono classificati in livelli diprestazione identificati con lettere (N S H L ecc.)con riferimento al loro potere di interruzione.

Potere di interruzione nominale di servizio in cortocircuitoIcs: rappresenta il valore efficace della componente sim-

metrica della corrente di cortocircuito che linterruttore in grado di interrompere.Tale valore stabilito attraverso un ciclo di prova bendefinito (O-t-CO-t-CO) e ben determinate modalit diprova descritte nella norma di prodotto IEC 60947-2. espresso come percentuale 25% - 50% - 75% - 100%del potere di interruzione nominale estremo incortocircuito, per esempio potrebbe essere Ics = 75 %Icu.Il valore del potere di interruzione deve essere messo inrelazione con il valore della corrente di cortocircuito nelpunto di installazione dellinterruttore stesso, e deve es-sere verificata la relazione Icu>Ik o Ics>Ik.

Potere di chiusura nominale in cortocircuito Icm: rap-presenta il massimo picco della corrente presunta chelinterruttore deve essere in grado di stabilire. In corren-te alternata, il potere nominale di chiusura in cortocircuitodi un interruttore non deve essere inferiore al suo poteredi interruzione nominale estremo in cortocircuito, molti-plicato per il fattore n, quindi Icm=n x Icu.Tale valore di Icm deve essere posto in relazione al valo-re della corrente di picco presente nel punto di installa-zione dellinterruttore e dovr essere verificata la rela-zione Icm>ip.

La Tabella 1 seguente riporta i valori del coefficiente ncome da normativa di prodotto CEI EN 60947-2.

Tabella 1

Potere di Fattore diinterruzione Icu potenza n

4.5 Icu 6 0.7 1.5

6 < Icu 10 0.5 1.7

10 < Icu 20 0.3 2

20 < Icu 50 0.25 2.1

50 < Icu 0.2 2.2

Corrente nominale di breve durata ammissibile Icw: rap-presenta il valore della corrente efficace della compo-nente alternata che linterruttore in grado di portaresenza danneggiamenti per un determinato tempo, conla preferenza per i seguenti valori 1s e 3s.

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2917



3 Scelta d

ei disp

ositivi d

i pro

tezione e co

mand

o

Interruttori scatolati Tmax

Interruttori aperti Emax

famigliainterruttoretensione nominale d'impiego (Ue)corrente ininterrotta nominale (Iu)potere d'interruzione nominale limite in cortocircuito (Icu)(AC) 50-60 Hz 220/230V(AC) 50-60 Hz 380/415V(AC) 50-60 Hz 440V(AC) 50-60 Hz 500V(AC) 50-60 Hz 690Vpotere d'interruzione nominale di servizio in cortocircuito (Ics)(AC) 50-60 Hz 220/230V(AC) 50-60 Hz 380/415V(AC) 50-60 Hz 440V(AC) 50-60 Hz 500V(AC) 50-60 Hz 690Vpotere di chiusura nominale in cortocircuito (Icm)(AC) 50-60 Hz 220/230V(AC) 50-60 Hz 380/415V(AC) 50-60 Hz 440V(AC) 50-60 Hz 500V(AC) 50-60 Hz 690V

B25161083

100%100%100%100%100%

52.53217

13.64.3

C402515104

75%100%75%75%75%

8452.530175.9

N503622156

75%75%50%50%50%

10575.646.2309.2

T1690160

B25161083

100%100%100%100%100%

52.53217

13.64.3

C402515104

100%100%100%100%100%

8452.530175.9

N653630256

100%100%100%100%100%

14375.663

52.59.2

S855045307

100%100%100%100%100%

18710594.563

11.9

H1007055368

100%100%100%100%100%

22015412175.613.6

L12085755010

100%75%(1)

75%75%75%

26418716510517

T2690160

T3690250

N503625205

75%75%75%75%75%

10575.652.5407.7

S855040308

50%50%(2)

50%50%50%

1871058463

13.6

Tmax

famigliainterruttoretensione nominale d'impiego (Ue)livelli di prestazionecorrente ininterrotta nominale (Iu)

potere d'interruzione nominale limite in cortocircuito (Icu)(AC) 50-60 Hz 220/230/380/415 V(AC) 50-60 Hz 440V(AC) 50-60 Hz 500/525V(AC) 50-60 Hz 660/690Vpotere d'interruzione nominale di servizio in cortocircuito (Ics)(AC) 50-60 Hz 220/230/380/415 V(AC) 50-60 Hz 440V(AC) 50-60 Hz 500/525V(AC) 50-60 Hz 660/690Vpotere di chiusura nominale in cortocircuito (Icm)(AC) 50-60 Hz 220/230/380/415 V(AC) 50-60 Hz 440V(AC) 50-60 Hz 500/525V(AC) 50-60 Hz 660/690Vcorrente ammissibile nominale di breve durata (Icw) (1s)

(3s)

B630800100012501600

42424242

42424242

88.288.288.288.242

Emax

N63080010001250 1600

65655555

50504242

14314312112142

L63080010001250

15013010060

15013010045

33028622013215

B800100012501600

42424242

42424242

88.288.275.675.64236

N800100012501600

50505050

5050 50 50

10510575.675.65036

B16002000

42424242

42424242

88.288.284844242

N1000125016002000

65655555

65655555

1431431211215542

S8001000125016002000

85856565

85856565

1871871431436542

L12501600

1301108585

1301106565

28624218718710

X1690

E1690

E2690

(1) 70kA (2) 27kA (3) 75% per T5 630 (4) 50% per T5 630 (5) solo per T7 800/1000/1250 A

(1) La prestazione a 600V pari a 100kA.

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2918


3 Scelta d

ei disp

ositivi d

i pro

tezione e co

mand

o

H800100012501600200025003200

10010010085(1)

85858585

2202201871877565

V80012501600200025003200

130130100100

1001008585

2862862202208565

L20002500

1301108585

1301106565

28624218718715

S4000

75757575

75757575

1651651651657575

H32004000

10010010085(1)

10010010085

22022022018710075

V32004000

150150130100

150150130100

33033028622010075

H400050006300

100100100100

100100100100

22022022022010085

V3200400050006300

150150130100

125125100100

33033028622010085

E3690

T4690

250/320

T5690

400/630

T6690

630/800/1000

T7690

800/1000/1250/1600N7036302520

100%100%100%100%100%

15475.663

52.540

S8550403025

100% 100% 100% 100% 100%

1871058463

52.5

H10070655040

100% 100% 100% 100% 100%

22015414310584

L2001201008570

100%100%100%100%100%

440264220187154

V30020018015080

100%100%100%100%100%

660440396330176

N7036302520

100%100%100%100%100%

15475.663

52.540

S8550403025

100%100%100%100%100%

1871058463

52.5

H10070655040

100%100%100%100%

100%(3)

22015414310584

L2001201008570

100%100%100%

100%(3)

100%(4)

440264220187154

V30020018015080

100%100% 100%

100%(4)

100%(4)

660440396330176

N7036302520

100%100%100%100%75%

15475.663

52.540

S8550453522

100%100%100%100%75%

18710594.573.548.4

H10070505025

100%100%100%100%75%

22015410510555

L200100806530

75%75%75%75%75%

44022017614366

S8550504030

100%100%100%100%100%

1871051058463

H10070655042

100% 100% 100% 100%75%

22015414310588,2

L2001201008550

100%100%100%75%75%

440264220187105

V(5)

20015013010060

100%100%100%100%75%

440330286220132

N25003200

65656565

65656565

1431431431436565

S100012501600200025003200

75757575

75757575

1651651651657565

E4690

E6690

3.2 Criteri di scelta dellinterruttoreI vari criteri di scelta per un interruttore impongono, oltrealla verifica dei parametri elettrici tipici dellinterruttore(tensione corrente - potere di interruzione ecc.), anchela verifica che linterruttore sia in grado di proteggere idispositivi per cui preposto.Di seguito vengono brevemente analizzate le modalitdi verifiche da seguire per realizzare la protezione deidispositivi che pi comunemente sono presenti in unimpianto.

Protezione delle linee in cavoIl cavo dovr essere protetto contro il sovraccarico econtro il cortocircuito.Per la protezione contro il sovraccarico deve essere ve-rificata la seguente condizione IB I1 IZdove:IB la corrente del carico,I1 rappresenta la soglia di intervento per sovraccarico(funzione L) impostata sul rel di protezione;IZ la portata in regime permanente del cavo.Per la protezione contro il cortocircuito deve essere ve-rificata la seguente condizione K2S2 I2tdove:K2S2 lenergia specifica sopportabile dal cavo che ri-sulta essere funzione della sezione S e di una costante Kche vale 115 per cavi isolati in PVC e 143 per cavi isolatiin EPR.I2t lenergia specifica lasciata passare dellinterruttorein corrispondenza della corrente di cortocircuito massi-ma dellimpianto.

Massima lunghezza protettaPer il circuito secondario lato BT di tipo TN-S la norma

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2919



3 Scelta d

ei disp

ositivi d

i pro

tezione e co

mand

o

CEI 64-8 fornisce alcune indicazioni per un calcolo ap-prossimato per valutare la corrente di cortocircuito mini-ma a fine linea. La norma ipotizza che la condizione dicorrente di guasto minima si abbia per un guasto fase-neutro alla fine della conduttura installata.

La differenziazione introdotta dipende dal fatto che ilconduttore di neutro sia o non sia distribuito, e le formu-le di calcolo sono le seguenti:

TN-S neutro non distribuito

Ikmin =0.8 V SF

1.5 2 LTN-S neutro distribuito

Ikmin =0.8 V0 SF

1.5 (1 + m) Ldove :0.8 1.5 2 costanti caratteristiche della formula in og-

gettoV tensione fasefase del sistemaV0 tensione faseneutro del sistemaSF sezione del conduttore di fase resistivit del materiale conduttore del cavom rapporto tra la resistenza del conduttore di

neutro e di fase. Nel caso abbastanza co-mune in cui fase e neutro siano dello stes-so materiale m diventa il rapporto tra lasezione di fase e di neutro.

L lunghezza del cavo in [m]Ikmin corrente di cortocircuito minima a fine li-

nea.

Se nelle formule precedenti si sostituisce il valore di Ikmincon la soglia di intervento I3Max (comprensiva di tolleran-za superiore) dellinterruttore utilizzato e si risolve la for-mula esplicitando la lunghezza, si ottiene un risultato chefornisce indicativamente il valore della massima lunghez-za di cavo che risulta protetta dalla protezione magneti-ca settata sul dispositivo di protezione.Le formule che si ottengono sono le seguenti:

LMax =0.8 V0 SF

1.5 (1 + m) I3Max

LMax =0.8 V SF

1.5 2 I3Max

Protezione dai contatti indirettiLa protezione contro i contatti indiretti consiste nel pro-teggere le persone contro i pericoli derivanti dal contat-to con parti conduttrici normalmente non in tensione,ma che possono andare in tensione in caso di cedimen-to dellisolamento principale.La protezione mediante linterruzione automatica dellali-mentazione richiesta quando a causa di un guasto, sipossono verificare sulle masse tensioni di contatto di

durata e valore tale da rendersi pericolose per le persone.Le prescrizioni per realizzare la protezione dai contattiindiretti per un impianto di bassa tensione sono semprefornite dalla CEI 64-8, mentre per gli impianti in mediatensione la norma di riferimento la CEI 11-1.

Per la verifica della protezione nei sistemi BT, la normafornisce delle prescrizioni che si differenziano in base aivari sistemi di distribuzione e che fanno riferimento al-limpedenza dellanello di guasto, alla tensione alla cor-rente che provoca lintervento del dispositivo di prote-zione e al tempo in cui si ha questo intervento.Nei sistemi MT, il problema della protezione contro i con-tatti indiretti si presenta ogni volta che limpianto utenteha la propria cabina di trasformazione.Secondo la norma CEI 11-1 la corrente dispersa Ig sipu calcolare con la relazione Ig = V

. (0.003 . L1 + 0.2 . L2)dove L1 rappresenta lestensione della linea aerea e L2della linea in cavo.Spesso lentit della corrente a terra di difficile valuta-zione per cui deve essere richiesta alla societ distribu-trice.La norma fornisce il valore massimo che pu assumerela tensione di passo e di contatto in base al tempo dieliminazione del guasto.

Protezione generatoriCon riferimento alla tipica rappresentazione dellanda-mento della corrente di cortocircuito di un generatoreper una buona protezione della macchina rotante il di-spositivo di protezione dovr avere le seguenti caratteri-stiche:- settaggio della protezione da sovraccarico L uguale o

maggiore della corrente nominale del generatore;- intervento della protezione da cortocircuito (istantanea

I o ritardata S) nei primissimi istanti del cortocircuito;- protezione riferita alla capacit della macchina di sop-

portare sovracorrenti che conformemente alla normaCEI EN 60034-1 data dal punto 1.5xInG per 30s doveInG la corrente nominale del generatore.

Protezione trasformatoriConsideriamo un trasformatore BT/BT al fine di analiz-zare le caratteristiche che i dispositivi di protezione de-vono avere quando posizionati a monte o a valle del tra-sformatore.Per linterruttore di monte necessario fare riferimentoalla curva di magnetizzazione della macchina che nondeve presentare intersezioni con la curva di interventodellinterruttore. Il potere di interruzione deve essere ade-guato alla corrente di cortocircuito della rete a monte deltrasformatore.Linterruttore a valle deve avere una caratteristica di in-tervento tale da garantire la protezione contro unecces-siva sovraccaricabilit termica della macchina in caso dicortocircuito. La norma CEI EN 60076-5 indica come li-mite di tenuta al cortocircuito dal punto di vista termico(limite di sovraccaricabilit) il valore della corrente di

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2920


3 Scelta d

ei disp

ositivi d

i pro

tezione e co

mand

o

cortocircuito lasciata passare dal trasformatore per untempo di 2 secondi.Questa condizione deve essere verificata anche dallin-terruttore a monte nel caso di cortocircuito sul lato se-condario che non interessa per linterruttore a valle. Perquesta analisi deve ovviamente essere considerata la cor-rente riportata al lato primario che quella effettivamen-te vista dallinterruttore di monte.In genere, lanalisi del comportamento dellinterruttore avalle e a monte per un guasto sul lato secondario deveessere fatta sulla base delle reali correnti che interessa-no i due apparecchi; infatti la corrente di cortocircuitoper guasto al secondario deve essere portata al prima-rio attraverso il rapporto di trasformazione.

Coordinamento motoriEntrare nel dettaglio delle considerazioni riferite allo stu-dio del coordinamento avviamento motori abbastanzacomplesso e non specifico argomento di questa trat-tazione. In generale linterruttore per la protezione mo-tori di tipo solo magnetico, la soglia di intervento ma-gnetico deve avere un valore tale da permettere lassor-bimento della corrente di spunto senza avere interventiindesiderati e inoltre, in caso di cortocircuito sul motore,deve proteggere il contattore (dispositivo di manovra) eil rel termico esterno (protezione dal sovraccarico).

ABB mette a disposizione delle tabelle di coordinamen-to (consultabili sul sito http://www.abb.com/lowvoltage)per le varie potenze dei motori e per le varie tipologie diavviamento con riferimento alla tensione e alla correntedi cortocircuito dellimpianto.

3.3 Coordinamento tra interruttori esezionatori

Il sezionamento deve assicurare la messa fuori tensionedi tutto o di una parte dellimpianto separandolo in modosicuro da qualsiasi alimentazione elettrica e garantendoin tal modo la sicurezza delle persone che eseguono la-vori. Il sezionamento deve essere effettuato condispositivi che aprano in una sola operazione tutti i poli.Nelle applicazioni di MT, la linea di arrivo in cabina puprevedere un sezionatore di linea e un sezionatore versoterra tra loro interbloccati che servono, in occasione dilavori, per mettere a terra automaticamente la linea amonte quando si ha lapertura del sezionatore di linea.Sul lato BT il sezionatore potrebbe costituire lelementodi ingresso di un sottoquadro, come rappresentato infigura 1. Il sezionatore un apparecchio di manovra chenella posizione di aperto garantisce una distanza disezionamento tra i contatti. In genere adatto per aprireo chiudere circuiti in cui circolano piccole correnti, o co-

Poich il sezionatore non provvisto di un dispositivoche ne comandi lapertura, necessario predisporre unapparecchio di protezione quale ad esempio un interrut-tore, che salvaguardi lintegrit del sezionatore in casodi cortocircuito. Ci significa che, in caso di cortocircuito,i fenomeni elettrici che interessano il sezionatore e chesono condizionati dal comportamento dellinterruttoredevono essere sopportati dal sezionatore stesso.A questo proposito ABB mette a disposizione delle ta-belle da cui, con riferimento alla tipologia di interruttorea monte e di sezionatore a valle, possibile ricavare lacorrente di cortocircuito massima in corrispondenza dellaquale la combinazione risulta protetta.Di seguito vengono riportate le tabelle 2 e 3 (estratte dalladocumentazione ABB SACE Tabelle di Coordinamen-to) con un esempio di lettura delle stesse.

Interruttore scatolato e sezionatore derivato dallinterrut-tore scatolato:

Con riferimento alla combinazione evidenziata tra un in-terruttore tipo T2S160 a monte e sezionatore tipoT1D160, la protezione del dispositivo di sezionamento possibile fino ad un valore di corrente di cortocircuito di50kA 400Vac.

Tabella 2

Figura 1

QBT1

SezionatoreQBT2

Interruttore

Cavo

Valle

Icw [kA]

Ith [A]

Iu [A]Monte Versione Icu [kA]

T1 160

3.6 3.6 6

T3D T4D T5D

250 320 400 630

16

25

36

36

50

70

85

16

25

36

36

50

70

85

16

25

36

36

50

70

85

16

25

36

36

50

70

85

2

T1D

160

16

25

36

36

50

70

85

T2

B

C

N

N

S

H

L

16

25

36

36

50

70

85

160

munque correnti nellordine della corrente nominale deldispositivo, e non dotato di rel di protezione.

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2921



Interruttore scatolato e sezionatore della serie OT e OETLTabella 3

Con riferimento alla combinazione evidenziata tra un in-terruttore tipo T5..400 a monte e sezionatore tipoOETL200, la protezione del dipositivo di sezionamento possibile fino ad un valore di corrente di cortocircuitodi 100kA 400Vac.

Per gli asterischi che compaiono nella tabella valgono leseguenti note:* Scegliere il valore pi basso fra Icu dellinterruttore ed ilvalore indicatoSe ad esempio la versione dellinterruttore una versio-ne N con Icu=36kA @ 400Vac, significa che la massimacorrente di cortocircuito dellimpianto dovr essere mi-nore a 36kA (per poter utilizzare la versione N) e ilsezionatore sar sicuramente protetto poich il limite diprotezione 100kA. Se la versione dellinterruttore unaversione L con Icu=200kA @ 400Vac, significa che la mas-sima corrente di cortocircuito dellimpianto potr esseredi 200kA e il sezionatore non risulter protetto poich illimite di protezione 100kA.*** I1 = 0.7 x IDa questa nota, legata alla protezione termica delsezionatore, consegue che il settaggio massimoimpostabile per la protezione termica sullinterruttore 0.7xIn.Analogo significato assume la nota:** Massimo settaggio della soglia di sovraccaricoPR2xx = 1.28*Ith OTxx/OETLxxda cui si capisce come il settaggio massimo per la pro-tezione da sovraccarico dellinterruttore non deve supe-rare 1,28 volte la portata in corrente del sezionatore.

3.4 Coordinamento tra interruttoriautomatici ed interruttori differenziali puri

Gli interruttori automatici differenziali utilizzati solitamentenella parte terminale dellimpianto BT assicurano unef-ficace protezione contro i contatti indiretti, cio con partimetalliche che normalmente non dovrebbero essere intensione, e in determinate condizioni anche contro i con-tatti diretti, cio con parti normalmente in tensione.

Risulta per chiaro dalla lettura delle norme che la fun-zione di protezione delle persone contro i contatti direttie indiretti una funzione ausiliaria che linterruttore com-pie, in quanto limpianto elettrico deve essere progetta-to ed eseguito in modo da salvaguardare lincolumitdelle persone principalmente mediante un adeguato im-pianto di terra.

Le carcasse metalliche degli utilizzatori devono cio es-sere collegate a un impianto di terra opportunamentedimensionato, in modo da evitare in ogni situazione ten-sioni di contatto pericolose.In un impianto, oltre alla normale protezione contro il so-vraccarico e il cortocircuito, solitamente di competenzadellinterruttore magnetotermico, buona norma predi-sporre anche una protezione differenziale.

In senso lato, la protezione in un impianto pu esseresvolta da due dispositivi separati (interruttoremagnetotermico e interruttore differenziale); in questocaso il differenziale puro, che sensibile alla sola cor-rente di guasto a terra, deve essere installato in serie adun interruttore automatico che lo protegga dalle solleci-tazioni termiche e dinamiche che si sviluppano nellim-pianto a causa della sovracorrente.

Una alternativa rappresentata da un unico dispositivoquale linterruttore magnetotermico differenziale cheunifica in un unico apparecchio le funzioni di protezione,riducendo notevolmente gli eventuali rischi legati ad unnon corretto coordinamento dei due apparecchi.

3 Scelta d

ei disp

ositivi d

i pro

tezione e co

mand

o

Monte Rel

EL

Valle

Icw [kA]

Ith [A]

Iu [A]

OETL

250

OETL

315

8 8

315 350

100*

100*

100*/**

100*

100*

100***

100*/**

OETL

200

8

250

T5 TM

320

400

630

320-630

100*

100*/***

100*/**

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2922


3 Scelta d

ei disp

ositivi d

i pro

tezione e co

mand

o

3.5 Esempio di studio rete MT/BTDi seguito viene riportato un esempio di come pu es-sere condotta lanalisi di un impianto MT/BT per arrivarealla valutazione dei principali parametri elettrici della reteed alla scelta degli interruttori per la protezione e per lacorretta gestione dellimpianto, con riferimento allaselettivit delle protezioni.

Descrizione delle caratteristiche dellimpianto:Rete di distribuzione:tensione nominale V1n=20kVcorrente di cortocircuito IkMT=12.5kA

Trasformatore di cabina con i seguenti dati:tensione nominale primaria: V1n=20kVtensione nominale secondaria: V2n=400Vpotenza nominale: SnTR=800kVAtensione di cortocircuito: vk%=5%

Un impianto prevede normalmente lalimentazione di di-verse utenze, per semplificare e finalizzare il nostro di-scorso prendiamo in considerazione le seguenti tipologiedi carico

un carico passivo L con:potenza nominale PnL=300kWfattore di potenza cos = 0.8

alimentato da un cavo C con le seguenti caratteristiche:formazione 2x(3x240)mm2

portata IZ=590Alunghezza LC=15m

un carico attivo M (motore asincrono trifase) con:potenza nominale PnM=90kWcoefficiente x cos = 0.8

(rendimento x fattore di potenza)

Figura 2

Per poter meglio affrontare la verifica delle caratteristi-che di intervento delle protezioni, di seguito si analizza-no le caratteristiche elettriche dei vari componenti del-limpianto in oggetto.

Dispositivo di protezione MTdellente distributore

Linea elettrica MT ente distributore

L

Sbarra di BT

Utenze BT

Punto di prelievo dellutenteposto nel locale consegna

Cavo MT di collegamento dallocale consegna al locale cliente

Dispositivo di protezione MTutente

TrasformatoreMT/BT

Dispositivo generaledi protezione BT

M

Lo schema dellimpianto in analisi il seguente:

Rete di distribuzione:Iniziamo dalla sorgente di alimentazione cio la rete elettrica a 20kV di proprie dellente distributore che ha ilproprio dispositivo di protezione di MT solitamente caratterizzato da curve dintervento a tempo indipendente condue gradini. Di seguito fissiamo dei valori ipotetici, ma comunque realistici, per la protezione a 20kV dellente distri-butore:

Massima correnteProtezioni 51 (prima soglia) 50 (seconda soglia)Tempi di eliminazione del guasto < 0.5s < 0.25sValori di regolazione della corrente < 72A < 400A

Massima corrente omopolareProtezioni 51N (prima soglia)Tempi di eliminazione del guasto < 0.12sValori di regolazione della corrente < 4A

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2923



3 Scelta d

ei disp

ositivi d

i pro

tezione e co

mand

o

Nella figura 3 rappresentato il grafico tempo/correntecon le seguenti curve:Curva 1: curva di intervento della protezione di massi-

ma corrente di media tensione;Curva 2: curva caratteristica dei parametri elettrici del

trasformatore prima descritti.Tutte le curve saranno rappresentate alla tensione di ri-ferimento di 400V del lato BT, quindi i valori di correnteriferiti alla tensione di 20kV lato MT dovranno esseremoltiplicati per il rapporto di trasformazione 20000V/400V.

Trasformatore:Il secondo elemento che condiziona i parametri elettrici presenti nellimpianto, soprattutto sul lato BT, il trasforma-tore da 800kVA che fornisce i seguenti valori di corrente:

- corrente nominale primaria (lato 20kV): I1n =SnTR3 V1n

=800 x 1000

3 x 20 x 1000= 23.1A

- corrente nominale secondaria (lato 400V): I2n =SnTR3 V2n

=800 x 1000

3 x 400= 1155A

Con formule pratiche e veloci (ad esempio si considera la rete MT a monte con potenza di cortocircuito infinita) cheforniscono comunque risultati accettabili in prima approssimazione e che sono utili per valutare lentit delle realicorrenti presenti nellimpianto e il dimensionamento dei dispositivi di protezione, passiamo a calcolare le correnti dicortocircuito.

- corrente di cortocircuito trifase al lato secondario (lato 400V)

I2k3F =SnTR

3Vk%x 100 x

1= 23kA

x V2n=

5

800 x 1000x 100 x

3

1

x 400

A questo valore della corrente di cortocircuito trifase in valore efficace simmetrico associamo anche un valore delfattore di potenza in cortocircuito cosk=0.35 e un relativo valore di picco di 43.6kA.

- corrente di cortocircuito trifase passante al lato MT per guasto sul lato BT

I1k3F =SnTR

3Vk%x 100 x

1= 462A

x V1n=

5

800 x 1000x 100 x

3

1

x 20 x 1000

oppure calcolabile attraverso al relazione: I1k3F =I2k3FV1n

400 = 460A20000

23000V2n =

Il funzionamento del trasformatore rappresentabile attraverso la sua curva di magnetizzazione e attraverso il puntolimite di capacit di tenuta al cortocircuito dal punto di vista termico.Landamento della curva di magnetizzazione della macchina pu essere ottenuto attraverso la formula

iinrush =ki

2

I1nTR et

inrush , per maggiori dettagli vedasi lappendice A di questa pubblicazione.

La capacit di tenuta al cortocircuito dal punto di vista termico pu essere espressa come indicato dalla normaCEI 14-4_5 o EN60076-5, come la capacit del trasformatore di sopportare per un tempo di 2 secondi la corrente dicortocircuito del trasformatore stesso.

Figura 3

0.1kA 1kA 10kA 100kA

1s

0.1s

1E-2s

1E-3s

10s

100s

1E3s

Ik x 2s

Curva 1

Curva 2

07 cabineITA 26-10-2005, 15:2924


3 Scelta d

ei disp

ositivi d

i pro

tezione e co

mand

o

Carico passivo L- corrente nominale del carico:

InL =PnL

3

x= 541A

x V2n=

300 x 10001000

x cos 3 x 400 x 0.8

Carico attivo M- corrente nominale del motore:

InM =PnM

3

x= 160A

x V2n=

90 x 10001000

x x cos 3 x 400 x 0.8

- corrente di cortocircuito del motore:IkM = 4 x InM = 4 x 160 =640A

Considerando lentit e la durata limitata in cui tale feno-meno si manifesta, utilizziamo come valore della corren-te di cortocircuito alla sbarra quello calcolato senza con-tributo motori.

Lo studio del coordinamento e della scelta delle prote-zioni MT e BT di competenza del cliente, pu partire dal-lanalisi della caratteristica e dai valori dintervento im-posti dal distributore (curva 1).Queste informazioni, come detto, sono normalmente ri-portate nel contratto di fornitura, e definiscono versomonte il campo di azione per il settaggio della protezio-ne MT dellutente.Verso valle il limite per la protezione MTutente invece datodalla forma donda della corrente di magnetizzazione deltrasformatore (curva 2).

Considerando un impianto utente che presenta a valledel dispositivo generale di protezione MTutente una lineain cavo con lunghezza tale per cui lunit di trasforma-zione MT/BT risulti contenuta in un unico locale, le pro-tezioni di MT utilizzabili potranno essere costituite da unamassima corrente (51) e da una massima correnteomopolare (51 N).

Dispositivo di protezione MT dellutente (MTutente)La protezione di massima corrente sul lato MT delluten-te ha solitamente due soglie di intervento:- una con correnti basse identificabile con la protezione

contro il sovraccarico, indicata anche con I>- una con correnti alte identificabile con la protezione

contro il cortocircuito, indicata anche con I>>

I valori di taratura in corrente ed in tempo per ciascunasoglia dovranno, quando possibile, essere impostati adun livello inferiore rispetto alle protezioni dellente distri-butore; anche importante non stare troppo bassi coni settaggi per non intersecare la curva di magnetiz-zazione del trasformatore in modo da garantire il nonintervento allatto della messa in tensione del trasforma-tore stesso, e per non occupare lo spazio in cui potreb-bero essere posizionate le curve di intervento delle pro-tezioni di BT.

Ci significa ovviamente che la protezione MTutente dovressere selettiva verso monte con la relativa soglia di pro-tezione dellente distributore, e verso valle con la prote-zione generale di BT, pur realizzando le funzioni di prote-zione di propria competenza.

In generale alle due soglie in precedenza identificate perla protezione MTutente possono essere assegnate le se-guenti funzioni di protezione:

contr

cabine-abb calcolo cto cto

Documents